La planète Mars selon Camille Flammarion

par Thierno Ousmane BA | Oct 4, 2020 | Zoom Sur

Camille Flammarion, né en 1842 et décédé le 3 juin 1925, aura été un vulgarisateur hors pair. Astronome passionné et passionnant, boulimique de savoir et doué d’un véritable talent littéraire, il mettra pour la première fois la lecture d’ouvrages d’astronomie à la portée du grand public, avec l’aide de son frère, le non moins célèbre éditeur Ernest Flammarion. C’est encore maintenant un vrai bonheur de se replonger dans la lecture des ouvrages majeurs comme l’Astronomie populaire ou bien Les Terres du ciel, ou encore dans les articles des premiers numéros de la revue L’Astronomie créée justement à l’initiative de Camille Flammarion. Lire l’Astronomie populaire, c’est redécouvrir l’étendue déjà incroyable des connaissances de l’époque, mais aussi mesurer l’immense bond en avant que l’Homme a accompli en à peine plus d’un siècle dans la connaissance des mondes qui nous entourent. 

Figure 1 – Les canaux de Mars

Dans Les Terres du ciel, un ouvrage de 800 pages paru pour la première fois en 1877 puis réédité en 1884, Camille Flammarion dresse un bilan exhaustif des connaissances de l’époque sur les planètes du Système solaire et de leurs conditions d’habitabilité. Il est en effet convaincu que la vie foisonne dans l’Univers.

Si certaines hypothèses peuvent maintenant nous paraître complètement obsolètes, comme la présence possible d’une vie intelligente sur Mars à l’origine d’un immense système de canaux d’irrigation (figure 1), il est frappant de voir la pertinence de certaines de ces gravures anciennes, qui résonnent comme un lointain écho aux fabuleuses images que nous rapportent nos missions spatiales actuelles.

La planète Mars revêt une importance toute particulière dans la vie et dans l’œuvre de Flammarion. Il lui consacrera 210 pages des Terres du ciel, puis les deux volumineux tomes La Planète Mars et ses conditions d’habitabilité, parus en 1892 et 1909. Quelle ne serait pas son excitation s’il pouvait participer avec nous à l’extraordinaire aventure des sondes en orbite et des rovers tels que Curiosity arpentant la surface de Mars !  Comme dans le cas de la Lune, Flammarion imagine : « Quel est l’aspect de l’Univers, vu de cette station voisine ? Les habitants de Mars n’habitent pas plus le ciel que nous, et nous l’habitons comme eux, ni plus ni moins. Comment voient-ils la Terre ? […] Les astronomes de cette planète peuvent observer la Terre parmi les constellations, comme nous observons Vénus. Ainsi, par exemple, les revues astronomiques de Mars ayant à annoncer à leurs lecteurs le mouvement de la planète Terre dans le ciel pendant l’année 1884, auront publié la figure précédente (fig. 2), que nous avons pu du reste calculer nous-même sans aller sur Mars. »

L’image de la Terre sur cette figure (fig. 2), qui montre la précision des prédictions astronomiques effectuées par Flammarion, la sonde américaine Mars Reconnaissance Orbiter l’a réalisée ! Belle confirmation de la prédiction…

Figure 2 – À gauche : aspect de la Terre vue de Mars (juin 1884). À droite, la Terre photographié depuis l’orbite martienne par l’instrument HiRISE de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter.

Si la Terre apparaît au télescope comme un croissant dans le ciel, « vue de Mars, dès le coucher du Soleil, la Terre brille dans le ciel comme une étoile… ». Là encore, nos sondes spatiales actuelles, Spirit, Opportunity, puis Curiosity, vont immortaliser cette magnifique vue de la Terre dans le ciel de Mars. Curiosity parviendra même à distinguer la Lune, dans son cliché pris par la caméra Mastcam le 31 janvier 2014, alors que la Terre est située à 160 millions de kilomètres de Mars (fig. 6). La gravure de Flammarion représente une rivière au premier plan. Curiosity lui, ne verra qu’un désert aride, mais un désert qui a gardé les traces géologiques indiquant la présence dans un lointain passé de lacs alimentés par des rivières.

Figure 3- A gauche: Gravure des Terres du ciel : « Vue de Mars, dès le coucher du Soleil, la Terre brille dans le ciel comme une étoile… » A droite : La Terre, photographiée par le rover Curiosity dans le ciel de Mars, apparaît comme un point double…

Quels sont les phénomènes astronomiques que les astronomes de Mars peuvent observer ? Suite à la découverte des satellites de Mars Phobos et Deimos en 1877 par l’astronome Asaph Hall, Camille Flammarion imagine dans ses Terres du ciel à quoi peut ressembler une éclipse de Soleil sur Mars. Les calculs des tailles respectives (~6000 km pour Deimos et ~2000 km pour Phobos) et des distances à la planète sont remarquablement proches des vraies valeurs. Il nous dit : « Quelquefois on peut voir ces deux lunes, arrivant des deux parties opposées du ciel, s’avancer l’une vers l’autre, se rencontrer et s’éclipser partiellement ou totalement. D’où il résulte qu’indépendamment des éclipses de lune produites par le passage des satellites dans l’ombre de la planète, éclipses analogues à celles qui se présentent sur notre monde, il y a sur Mars des éclipses inconnues à la Terre : celles d’un satellite par l’autre, celles du second satellite par le premier. […] Ainsi Phobos peut éclipser totalement Deimos, et cela très facilement. Mais il ne peut jamais éclipser totalement le Soleil de Mars, dont le diamètre moyen est de 21 minutes. Lorsque la combinaison des mouvements célestes l’amène devant l’astre du jour, il peut se produire une éclipse annulaire du genre de celle qui est représentée ici (figure 4) , à laquelle peut s’ajouter le passage du second satellite devant le Soleil, sous la forme d’un petit disque noir. »

Figure 4 – Ci-dessus : Une éclipse de Soleil par les deux lunes de Mars imaginée par Flammarion. En dessous : Une éclipse de Soleil par Phobos, observée par le rover Spirit le 10 février 2005. (NASA/JPL/Cornell)

Camille Flammarion aborde régulièrement les questions de société dans ses ouvrages, et n’hésite pas à s’enflammer : « Lorsque l’on songe aux progrès réalisés dans notre seul xixe siècle, chemin de fer, télégraphes, applications de l’électricité, photographie, téléphone, etc., on se demande quel serait notre éblouissement si nous pouvions voir d’ici les progrès matériels et sociaux que le vingtième, le vingt et unième siècle et leurs successeurs réservent à l’humanité de l’avenir. L’esprit le moins optimiste prévoit le jour où la navigation aérienne sera le mode ordinaire de circulation ; où les prétendues frontières des peuples seront effacées pour toujours ; où l’hydre infâme de la guerre et l’inqualifiable folie des armées permanentes seront anéanties devant l’essor glorieux de l’humanité pensante dans la lumière et dans la liberté ! » Eh bien, il nous reste encore un peu de chemin pour y parvenir… Puisse-t-il avoir un jour raison !

Stéphane Le Mouélic, Lab. de planétologie et géodynamique de Nantes

Sonder l’atmosphère de Mars

par Thierno Ousmane BA | Oct 4, 2020 | Zoom Sur

La mission InSight du programme Discovery de la NASA est la première mission planétaire à faire d’un sismomètre (SEIS, instrument français) son instrument principal. InSight doit explorer la structure et l’activité de l’intérieur de Mars, dans l’espoir de reconstituer l’histoire de sa formation et de découvrir son activité sismique actuelle. En apparence, étudier la météorologie de Mars n’est pas le but premier de la mission InSight.

Figure 1 – Vue d’artiste de la station InSight dans un environnement typique d’une matinée sur Mars, avec un dust devil passant à proximité. Reproduction d’un dessin original de l’artiste Manchu, utilisé avec permission sous le copyright IPGP/Manchu/Bureau 21.

A la fin des années 70, les atterrisseurs Viking se sont posés à la surface de Mars et ont permis, grâce à leurs instruments météorologiques, de découvrir depuis la surface l’activité de l’atmosphère de Mars en deux endroits distincts de la planète. Le but principal des missions Viking était d’explorer l’environnement martien et son habitabilité. En complément, à titre purement expérimental, les sondes Viking embarquaient un sismomètre. L’analyse s’est révélée difficile : les sismomètres Viking ont surtout enregistré une forte contribution atmosphérique au signal sismique.

Atmosphère et bruit sismique capturé par InSight

Les capteurs météorologiques sont en fait une composante essentielle au succès de la mission InSight. Pourquoi ? L’échec relatif des mesures Viking nous renseigne par l’exemple. A moins d’enterrer complètement un sismomètre dans le sous-sol martien, ce qui requerrait une instrumentation d’une masse bien supérieure à ce que l’on peut acheminer sur Mars à l’heure actuelle, toute expérience géophysique sur Mars doit composer avec le signal sismique indésirable excité par l’atmosphère. Les variations de température atmosphérique augmentent le niveau de bruit du sismomètre, le vent qui souffle fait vibrer la sonde InSight sur la surface de Mars, causant des ondes sismiques capturées par le sismomètre, et les variations de pression atmosphérique exercent une force qui déforme la surface, donc provoque également des perturbations sismiques. Les variations causées par la turbulence atmosphérique, qui se développent sur des échelles de temps inférieures à la minute, sont les plus à même de causer du bruit sismique atmosphérique.

La première stratégie d’InSight pour limiter ces perturbations indésirables de l’atmosphère est de recouvrir le sismomètre d’une cape rigide protectrice. La seconde stratégie est de déterminer de la manière la plus précise et complète possible les variations de l’atmosphère afin d’évaluer le bruit sismique qu’elles causent et de nettoyer, autant que faire se peut, le signal sismique mesuré à la surface de Mars de l’indésirable signal atmosphérique. Cette technique porte le nom de décorrélation de pression et nécessite des mesures de la pression atmosphérique de fine précision et haute fréquence (20 mesures par seconde). Le capteur de pression embarqué sur InSight possède donc des caractéristiques inédites par rapport aux capteurs de pression précédemment envoyés sur Mars. Il est de plus associé à deux capteurs de température et de vents (nommés TWINS) qui vont sonder l’activité atmosphérique en continu pour évaluer les périodes (au cours de la journée, au cours de l’année) pendant lesquelles il est opportun de réaliser les meilleures mesures sismiques.

InSight est donc autant une station géophysique qu’une station météorologique. Pour faire des mesures sismiques révélant la structure et l’activité interne de Mars, il faut d’abord nettoyer ces mesures du bruit atmosphérique, comme l’on nettoierait une frise de cathédrale couverte de boue pour en apprécier tous les détails. Est-ce là la seule utilité des capteurs météorologiques d’InSight ? Evidemment non. On peut prendre la boue et en faire de l’or, comme disait Charles Baudelaire.

Explorer l’atmosphère de Mars avec InSight

Plusieurs capteurs météorologiques, mesurant pression, vents, température, ont été embarqués sur des robots à la surface de Mars (Viking, Pathfinder, Phoenix, Curiosity) répartis dans plusieurs régions caractéristiques de la planète rouge. Ces mesures météorologiques passées ont été d’une importance capitale pour comprendre à la fois le climat de Mars et son cycle des poussières, de l’eau et du dioxyde de carbone. L’analyse de la météorologie depuis la surface est parfaitement complémentaire des observations spatiales depuis l’orbite de Mars. Une station météorologique à la surface de Mars est une excellente méthode pour obtenir des séries temporelles complètes de pression, température, vents, ce dont les orbiteurs sont incapables. En contrepartie, les orbiteurs donnent un contexte global et régional aux mesures d’un atterrisseur ne donnant accès qu’à une seule région très localisée de la planète. 

La nécessité, pour interpréter les mesures sismiques, d’observer en continu l’atmosphère est un des grands atouts d’InSight par rapport aux précédentes mesures météorologiques à la surface de Mars, qui avaient toutes des trous dans la couverture temporelle pour des raisons diverses et variées. En pratique, InSight va donc permettre de manière inédite de suivre au cours des saisons les variations de vent, température et pression causées par les circulations à grande échelle dans l’atmosphère de Mars : cellules de Hadley (courants lents faisant circuler chaleur et espèces chimiques d’un hémisphère à l’autre), ondes atmosphériques planétaires, cycle de condensation / sublimation du CO2 atmosphérique en des calottes saisonnières. A tout moment pendant la mission, si survient un phénomène d’ampleur, telle une tempête de poussière très étendue, InSight pourra enregistrer tous les soubresauts atmosphérique associés à ce phénomène. Equipées de caméras couleur, l’atterrisseur InSight permettra également un suivi de l’activité dans l’atmosphère dans la région de son site d’atterrissage : charge en poussière dans l’atmosphère, présence de nuages de glace d’eau, brouillard matinal, évolution des dépôts de poussière à la surface sous l’effet de l’érosion éolienne.

Figure 2 – Des nuages détectés sur Mars par la sonde Opportunity

InSight sera en fait un complément très intéressant à la mission Curiosity qui embarque des capteurs de vents et de température similaires à ceux d’InSight. Le rover Curiosity est situé à seulement 400 km au sud du site d’atterrissage d’InSight, donc le contexte météorologique de grande échelle est similaire entre les deux missions. En revanche, Curiosity fait des acquisitions météorologiques à l’intérieur du cratère Gale, où l’influence régionale de la topographie sur les vents est considérable. Comparer les mesures des deux missions permettra donc, via InSight, de mieux évaluer le contexte atmosphérique global dans lequel elles se trouvent toutes les deux ; et, en négatif, expliquer les nombreux phénomènes météorologiques associés à la topographie dans les mesures de Curiosity.

Une autre caractéristique intéressante des mesures météorologiques d’InSight est l’acquisition haute fréquence. Le capteur de pression est de ce point de vue particulièrement performant, mais il en est également de même dans une moindre mesure pour les capteurs de vent et température. InSight sera donc particulièrement bien équipé pour évaluer la variabilité rapide, turbulente de l’atmosphère proche de la surface de Mars. InSight pourra enregistrer avec précision les nombreux tourbillons et cellules convectives qui passent au cours de la journée, lorsque le sol chauffé par le soleil provoque des instabilités convectives à proximité de la surface. La vitesse du vent peut y varier très vite, causant un soulèvement des fines particules de poussière de la surface vers l’atmosphère. Lorsque ces poussières sont entrainées dans un tourbillon convectif, cela donne naissance aux dust devils, fines colonnes de poussière caractéristiques observées dans les déserts terrestres et sur Mars. InSight sera même équipé, contrairement aux campagnes précédentes, de capteurs d’une fréquence si haute qu’il sera potentiellement possible de décrire en détail comment l’énergie turbulente de l’atmosphère se dissipe en de minuscules tourbillons. Ce phénomène universel existe sur Terre comme sur Mars, mais ses échelles caractéristiques diffèrent dans l’atmosphère très ténue de Mars.

Un point de vue original sur l’atmosphère de Mars

La combinaison de mesures sismiques et de mesures météorologiques est un avantage indéniable d’InSight, qui rend sa façon d’étudier l’atmosphère de Mars particulièrement originale. Premier exemple, les dust devils précités (et, en fait, tous les tourbillons convectifs, qu’ils transportent de la poussière ou non) seront détectés par les capteurs météorologiques, mais également par le sismomètre car la chute abrupte de pression qu’ils impliquent déforme la surface. Autrement dit, les tourbillons convectifs atmosphériques causent des micro-séismes. InSight sentira ainsi passer de tels phénomènes depuis beaucoup plus loin que s’il avait été simplement une station météorologique. L’instrumentation d’InSight peut donc permettre d’étudier une surface plus grande autour de l’atterrisseur que les missions précédentes. 

Deuxième exemple, toute perturbation un peu soudaine dans l’atmosphère (par exemple, un impact de météorite ou, moins rarement, un vent soufflant sur une montagne ou un cratère), jour ou nuit, cause l’émission d’ondes de gravité dans l’atmosphère, analogues des ondes causées en jetant un caillou dans un étang calme. Ces ondes qui révèlent la variation de température et de vent suivant la verticale ont une signature à la fois météorologique et sismique. InSight pourra donc les détécter depuis la surface pour la première fois. Les impacts de météorite devraient d’ailleurs être plus directement repérés par l’émission d’infrasons que le capteur de pression d’InSight sera capable de détecter.

Au final, s’il n’est pas certain qu’InSight révolutionne la science atmosphérique martienne, la mission va permettre une vision nouvelle et originale des phénomènes atmosphériques martiens, avec une possibilité de découvertes inattendues, permises par des capteurs à la couverture temporelle et la précision inégalées à la surface de Mars. InSight est donc un jalon important pour connaître l’environnement dans lequel évolueront les futures missions martiennes, robotiques ou humaines. La mission InSight préfigure d’ailleurs, très probablement, des campagnes de mesure avec des réseaux de multiples stations météorologiques / géophysiques à la surface de Mars.

Aymeric SPIGA, Chercheur LMD/IPSL

COAUTEURS: ■ DON BANFIELD, Senior Scientist à Cornell University, USA ■ JOSÉ-ANTONIO RODRIGUEZ-MANFREDI, chercheur au Centro de AstroBiologia (CAB), INTA, Espagne ■ FRANÇOIS FORGET, directeur de recherche CNRS au Laboratoire de météorologie dynamique (LMD) / Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL) à Paris ■ PHILIPPE LOGNONNÉ, directeur de recherche à l’Institut de physique du globe de Paris (IPGP).

Détection de séismes sur Mars, premiers résultats

par Thierno Ousmane BA | Oct 4, 2020 | Zoom Sur

Le 26 novembre 2018 l’atterrisseur InSight de la Nasa, s’est posé après un voyage de plus de 6 mois et de 485 millions de km, sur le sol de Mars. Une mission de deux années doit permettre la détermination de la structure interne de Mars, grâce à la panoplie des instruments géophysiques embarqués, dont l’instrument principal, le sismomètre SEIS. Ce dernier, développé à l’Institut de physique du globe de Paris (IPGP) et à l’Ecole Polytechnique de Zürich (ETHZ), enregistre les tremblements du sol de Mars, d’origines internes, ou externes comme ceux provoqués par les impacts de météorites. La propagation des ondes sismiques fournit des indications sur la croûte, le manteau et le noyau de la planète. Les deux missions de la Nasa, Viking 1 et 2, lancées en 1975, s’étaient soldées par un échec puisque les deux sismomètres américains embarqués n’avaient pas fourni de données exploitables ; cette mission est donc une grande première. 

Vue d’artiste du site d’atterrissage d’InSight sur la plaine d’Elysium, avec la structure du sous-sol. Du haut vers le bas: revêtement induré (duricrust), régolithe et socle rocheux fracturé. Crédits: IPGP/Nicolas Sarter

L’instrument SEIS

Le site sélectionné pour l’atterrissage est la partie ouest de la plaine Elysium Planitia (Figure 1), à 1000 km au NO du cratère Gale où opère le robot Curiosity de la mission MSL. L’atterrisseur a déployé à l’aide d’un bras robotique les instruments SEIS et HP3 sur le sol martien. 

Figure 1 – Les sites d’atterissage des différentes mission martiennes. Insight s’est posé à coté du volcan Elysium. Crédits: MOLA/NASA

L’instrument SEIS (Seismic Experiment for Interior Structures) est un sismomètre large bande de très grande précision, il est protégé du vent, des poussières et des variations brutales de température par une cloche en titane ; il a été installé au sol à l’aide d’un bras robotisé. Un autre instrument, HP3, développé par l’agence spatiale allemande est, quant à lui, destiné à mesurer la température du sous-sol jusqu’à 5 mètres de profondeur et par extenson, le flux de chaleur sortant du sol martien (lire la description détaillée dans l’Astronomie #116, mai 2018 et #123, janv. 2019). 

Depuis l’installation en surface du sismomètre entre décembre 2018 et février 2019, l’instrument a détecté plus de 300 séismes et fourni de nombreux résultats aux planétologues, publiés dans une série de six articles parus fin février dans Nature Geoscience et Nature Communication. Les nombreuses données géophysiques collectées lors des six premiers mois de la mission éclairent notamment sur la structure des premiers kilomètres du sous-sol martien. 

Dans sa lente traque des séismes martiens, SEIS est confronté à un obstacle redoutable que sont les bruits divers et variés de l’environnement de l’instrument qui viennent parasiter de manière aléatoire les infimes tremblements de surface devant être enregistrés ; parmi tous ces bruits, le plus perturbateur reste l’environnement martien lui-même. Un suivi patient, mené de concert avec la station météorologique équipant InSight a permis aux chercheurs de comprendre qu’il fallait découper le jour martien (appelé sol, légèrement plus long qu’une journée terrestre) en trois périodes plus ou moins bruyantes et donc plus ou moins bien adaptées à la recherche de séismes ; c’est entre 17h et minuit que la planète devient plus calme, et c’est alors que se situe la période la plus propice à la détection de séismes (fig.). Cette situation risque d’être modifiée avec l’arrivée de l’été martien et l’apparition des tempêtes de poussière qui risquent de rendre beaucoup plus délicate la détection des séismes les plus faibles.

Les principaux résultats

La structure du sous-sol

Dès l’installation d’InSight, il a été possible de caractériser les propriétés du proche sous-sol de la plaine poussiéreuse d’Elysum en analysant la manière dont les instruments se sont plantés dans la poussière. Trois couches se succèdent : une cuirasse superficielle de quelques cm (duricrust) qui a fait obstacle à l’enfoncement de HP3 est surmonté d’un régolithe résultant de l’amoncellement des matériaux concassés par les innombrables impacts météoritiques ; en dessous, sur plusieurs mètres, le sous-sol a pu être sondé grâce aux déformations induites par la circulation de tourbillons de poussière (dust devils), qui sont autant de micro-sources sismiques enregistrées par SEIS. Ces tourbillons ont par ailleurs réservé une surprise aux scientifiques de la mission : alors que leur présence est attestée par les enregistrements de SEIS, aucun n’a pu être photographié. 

Les premiers séismes

Le nombre de séismes haute fréquence (HF, lire l’encadré) est en constante augmentation depuis le début de la campagne d’observation, sans que les sismologues sachent vraiment pourquoi ; ce n’est pas un artefact de mesure et cette hausse, qui semble d’origine naturelle, pourrait être due à un phénomène saisonnier, comme par exemple l’évolution de Mars sur son orbite. 

Pour l’instant, jusqu’à la fin juillet 2019, seulement 4 séismes de type A, c’est-à-dire exploitables par les chercheurs (lire l’encadré), ont été identifiés. Le 7 avril 2019 (sol 128), le premier séisme martien est enregistré, marquant d’une pierre blanche le jour de naissance de la sismologie martienne. Il est situé dans les hautes fréquences (HF, lire l’encadré), de magnitude relativement faible. Son origine demeure pour l’instant inconnue, la profondeur du foyer sismique serait supérieure à 5 km et son origine serait située à une distance de 530 km d’InSight.

Le deuxième séisme majeur enregistré par SEIS a eu lieu au cours du sol 173 (23 mai 2019) et c’est une des secousses les plus intéressantes jamais observées sur la planète rouge jusqu’à ce jour. C’est un séisme de basses fréquences (LF) d’une magnitude 3,6, bien plus énergétique que le précédent ; il a offert aux sismologues la possibilité de déterminer la position précise de l’épicentre, ce qui est particulièrement ardu quand on ne dispose que d’une seule station, comme c’est le cas ici. Pour l’instant, tous semble indiquer que le 23 mai, le sol s’est mis à trembler à 1600 km à l’est d’InSight, dans une région baptisée Cerberus Fossae (voir plus bas).

Le troisième événement majeur mis en évidence par SEIS l’a été au cours du sol 235 (26 juillet 2019), situé dans la même région de Cerberus Fossae, les épicentres des deux séismes étant séparés de 450 km environ.

Enfin, une autre séisme LF de qualité A, détecté au cours du sol 183 (3 juin 2019), a pu être approximativement localisé sur le globe martien.

En termes de positionnement,  c’est à peu près tout pour les quelques centaines d’autres événements identifiés par SEIS (surtout HF). Cette cartographie permet de commencer à relier certains secteurs sismiques avec de possibles structures tectoniques existant à la surface de Mars. 

Cerberus Fossae

Cerberus Fossae est un immense système de failles situé à l’est du terrain d’atterrissage d’InSight, qui s’est probablement formé lors de la mise en place d’Elysium Mons, le second complexe volcanique de Mars en termes de taille après le dôme de Tharsis et son volcan géant Olympus Mons. Les failles de Cerberus Fossae seraient encore actives et le champ de fractures présent semble avoir accumulé de nombreuses contraintes dont certaines ne sont pas encore relâchées (Fig.2).

Figure 2 – Le système de failles Cerberus Crédits: ESA/DLR/FU Berlin

Caractéristiques de la croûte martienne

Grâce aux trois séismes majeurs détectés jusqu’à présent, il a été possible de déterminer les valeurs de l’atténuation et de la diffusion des ondes sismiques lors de leur traversée de la croûte martienne ; une discontinuité majeure a été identifiée . Le trio sismique des sols 128, 173 et 235 a permis une première analyse de la structure de la croûte : une première strate d’une épaisseur d’une dizaine de km, constituée de matériaux volcaniques très altérés ou fracturés, ralentit les ondes sismiques d’environ 50% ; plus en profondeur, se trouverait une couche plus homogène qui pourrait descendre jusqu’au début du manteau.

En conclusion

Si la croûte martienne commence à livrer ses secrets, l’objectif ultime d’InSight est de lever le voile sur la structure interne de la planète entière, mais les sismologues n’ont pas encore la garantie de pouvoir comprendre le manteau et le noyau de la planète. En effet, la grande majorité des séismes qui secouent la surface martienne sont de faible magnitude et la détermination de la structure interne de Mars pourrait être plus longue et délicate que prévu. Comme l’écrit Philippe Labrot, l’un des scientifiques de l’IPGP responsables des dépouillements des données de SEIS « Tout en analysant d’arrache-pied l’abondant jeu de données fourni par SEIS, les sismologues planétaires attendent également désormais le premier grand séisme martien, celui qui frôlera ou dépassera la magnitude 4,5 et qui nous montrera enfin de quoi est fait le cœur de Mars. »

Janet Borg, Institut d’astrophysique spatiale

Parler aux rovers martiens

par Thierno Ousmane BA | Oct 4, 2020 | Zoom Sur

Le 30 juillet dernier, un nouveau rover a quitté la Terre, direction la planète Mars ! Baptisé Perseverance d’après la proposition soumise par un collégien à un concours organisé par la Nasa, maître d’œuvre de la mission Mars 2020, il sera largué en février 2021 sur le sol martien. Il rejoindra alors sur Mars son collègue Curiosity, star des médias et des réseaux sociaux. Mais comment les scientifiques communiquent-ils avec ces rovers ?

Ils prennent des « selfies », possèdentleur compte sur les réseaux sociaux, et pourtant, discuter avec eux n’est pas chose aisée pour les scientifiques : mais comment parle-t-on à Curiosity et Perseverance?

Patience et longueur de temps… 

Discuter avec un robot martien, c’est tout d’abord une histoire de fuseaux horaires et de synchronisation. Pour commencer, il faut savoir que les échanges avec la planètes Mars, comme avec n’importe quel endroit du Système solaire et au-delà, se font par le moyen de signaux électromagnétiques (de la lumière non visible). Les échanges avec Mars ne sont donc ni instantanés, ni même légèrement décalés comme ceux des astronautes des missions Apollo avec les équipes à Houston, le centre des opérations des missions Apollo pour la Nasa. Les messages échangés entre Terriens et Martiens se propagent en effet à la vitesse de la lumière que chacun sait finie et constante. La lumière met environ huit minutes à parvenir du Soleil à la Terre, parcourant ce qu’on appelle une « unité astronomique », ou « UA ». Mars orbite autour du Soleil à une distance moyenne de 1,5 UA. Ainsi, en fonction de la position relative des deux planètes par rapport à notre étoile, la distance entre Mars et la Terre varie entre 0,5 UA et 2,5 UA. Un calcul au premier ordre permet donc d’estimer qu’un message voguant entre les deux astres a une durée de voyage comprise entre quatre minutes et une vingtaine de minutes. C’est une chose que tout astronaute en herbe rêvant de fouler le sol martien doit garder en tête : pour dire « Salut ! Ça va ? », entendre « Oui, bien, et toi ? », et répondre « Bien ! Merci! » à un Martien, il faut prévoir entre douze minutes et une heure, en fonction des éphémérides !

Figure 1 – Schématisation de l’organisation d’une journée martienne pour les opérations de Curiosity, le rover de la mission MSL (Mars Science Laboratory), et exemple d’horloge présentant l’heure sur Terre en Temps Universel, puis l’heure locale à Toulouse, l’heure « universelle » sur Mars, puis l’horloge locale des différentes missions martiennes à ce moment-là. 

Synchronisation des horloges

Et encore, même avec beaucoup de patience, ce n’est pas facile de donner des instructions à un rover martien, car il faut aussi tenir compte du décalage horaire. Ou plutôt, devrions-nous parler des décalages horaires, au pluriel ! « On peut s’imaginer qu’on peut utiliser toute la journée martienne pour échanger des informations avec un rover, mais c’est bien plus compliqué », explique Olivier Gasnault, chargé de recherche au Centre national de la Recherche scientifique (CNRS) à l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP) de Toulouse, responsable adjoint de ChemCam (Curiosity) et qui est, chargé des opérations scientifiques de l’instrument SuperCam de Perseverance. « On pourrait croire que le rover a huit heures d’activité par jour, comme les scientifiques qui le pilotent, mais non, il faut prendre en compte les contraintes de satellites relais, de l’’énergie disponible, et des décalages entre les fuseaux horaires martiens et terrestres ! ». En effet, la durée de la journée martienne, qui dure vingt-quatre heures terrestres et quarante minutes (appelée sol), est divisée par les scientifiques en vingt-quatre « heures martiennes » qu’il faut répartir entre les différentes phases d’opérations : la génération des instructions, leur validation, leur transmission entre la Terre et Mars, les opérations sur Mars, quand le rover peut profiter au maximum de l’éclairage solaire pour faire des photos très utilisées en géologie martienne, l’envoi des données enregistrées sur Terre, leur analyse par les scientifiques, plus la création d’un nouveau plan d’activité pour la journée suivante. Ce schéma idéal ne prend pas en compte les difficultés liées à la position de Mars par rapport au Soleil et à la Terre (l’année martienne dure près de 690 jours terrestres), ou encore de la disponibilité des satellites artificiels qui tournent autour de Mars et permettent de relayer les messages de Curiosity ,et dans le futur de Perseverance, aux antennes des centres d’opérations de la Nasa. Une difficulté supplémentaire repose sur la taille des équipes scientifiques qui sont aux commandes et leur dimension internationale : les différents laboratoires américains sont répartis sur plusieurs fuseaux horaires, sans oublier ensuite le « jetlag » avec les laboratoires français, où sont basés les chercheurs, ingénieurs et techniciens qui analysent les données de composition des roches mesurées par les tirs laser de l’instrument ChemCam, dont la contribution française est sous la responsabilité de l’IRAP, en particulier de Sylvestre Maurice (le chercheur à l’origine des deux projets, instigateur de ces instruments, et le responsable de SuperCam) et d’Olivier Gasnault (voir photographie ci-contre). Pour SuperCam, le petit frère de ChemCam à bord de Perseverance, il faudra en plus se coordonner avec deux fois plus de laboratoires français (14) qui ont participé à la construction de l’instrument ou qui participeront à la science de SuperCam.

Figure 2 – L’équipe des opérations des instruments ChemCam et sAm photographiée au Cnes en 2014. Pendant que les ingénieurs (au premier plan) – qui sont au total une quarantaine rien qu’en France à contribuer aux opérations – préparent les instructions à envoyer aux équipes de MSL aux États-Unis, Olivier Gasnault (en chemise blanche) et quatre chercheurs (au fond à droite) discutent des objectifs scientifiques à privilégier après avoir analysé les données du jour.
(S. Girard/Cnes)

Des stratégies différentes pour Curiosity et Perseverance

Les opérations de Curiosity sont organisées grâce à des décisions collégiales de type « discovery driven », c’est-à-dire motivées par les découvertes effectuées. Les tâches du rover sont donc planifiées sur différentes échelles de temps, en gardant des objectifs scientifiques à long terme suffisamment larges pour que le plan d’action du mois suivant puisse tenir compte des découvertes faites sur un site donné à un instant « t ». Par exemple, si Curiosity détecte des propriétés inattendues sur une cible particulièrement intéressante, les chercheurs peuvent demander que le rover y reste quelques jours ou quelques semaines de plus afin d’effectuer des mesures supplémentaires. En effet, le rover se déplace tellement lentement (en moyenne, Curiosity se déplace à une vitesse de croisière de trente mètres à l’heure) qu’il serait difficile d’envisager de « revenir en arrière » si les opérations étaient fixées à l’avance sur périodes trop longues. (lire l’Astronomie, 

Pour Perseverance, la stratégie sera différente, notamment à cause des exigences de la Nasa en matières d’objectifs pour la mission Mars2020 et d’efficacité (le calendrier à tenir est plus strict). Perseverance devra non seulement récolter des échantillons et en faire une analyse scientifique très poussée, mais également les déposer en différents sites stratégiques au cas où une future mission conjointe de retour d’échantillons serait financée par la Nasa et l’Esa. La mission de retour d’échantillons n’aurait pour but que de récolter les échantillons extraits et préparés par Perseverance pour les rapporter sur Terre, le seul endroit où l’on peut trouver des laboratoires suffisamment complets et performants (et des humains pour y travailler) pour que les échantillons soient décortiqués en détail, afin, principalement, de rechercher des traces de vie martienne. La liberté de décision des chercheurs et chercheuses sera inévitablement bien plus réduite que pour Curiosity, puisque les opérations seront organisés sur des périodes plus longues et contraintes par la préparation des échantillons. « L’exploration scientifique de Mars est en quelque sorte assujettie à la très grande popularité des projets d’exploration de la planète et à la puissance des campagnes de communication des agences », souligne Olivier Gasnault. Il semble en effet que les résultats de Mars 2020 sont annoncés avant même que l’on ait envoyé le rover sur Mars : maintenant qu’on y a découvert de l’eau liquide, il faut déceler des traces de vie ! 

Le chercheur est tout de même très enthousiaste, notamment quand on aborde la question de la grande taille et de la grande diversité des équipes impliquées dans les opérations de Curiosity et Perseverance : « Ce que je trouve intéressant dans cet aspect des opérations des rovers martiens, c’est qu’elles nécessitent une plus grande implication des chercheurs auprès des ingénieurs en charge des opérations. C’est un peu comme pour les missions Apollo, en remplaçant les astronautes par des robots ! »

SuperCam, les « yeux » de Perseverance, largement conçu et fabriqué en France.

SuperCam est la petite sœur de ChemCam, proposée par le même consortium franco-américain et acceptée par la Nasa après le grand succès de l’instrument de Curiosity. Le consortium SuperCam compte, en plus du Cnes et de l’Irap, une dizaine d’acteurs en France*. On voit ici l’instrument déshabillé lors de derniers tests à l’Irap en 2019 (aucun risque que SuperCam ait attrapé la Covid-19 avant son départ pour Mars, il est toujours manipulé par des scientifiques bien protégés, voir l’Astronomie no 137). SuperCam a pour mission de mesurer la composition chimique des roches en tirant dessus au laser (technique LIBS)2 et d’en faire des images en couleur (et non en noir et blanc comme son prédécesseur ChemCam). SuperCam pourra aussi détecter les minéraux et éventuellement de la matière organique par spectroscopie Raman et infrarouge (IR). Les différentes techniques fonctionnent à distance : 7 m pour le LIBS, 12 m pour le Raman, et jusqu’à l’horizon pour la spectroscopie IR et l’imagerie. L’instrument a été livré au Jet Propulsion Laboratory l’été dernier, au terme de quatre années de travail qui ont mobilisé près de 240 personnes.

Figure 3 – SuperCam est un instrument franco-américain proposé par le lANl (É.-U.) et l’IRAP (France). le Cnes assure la maîtrise d’ouvrage de la contribution française et s’appuie sur des laboratoires du CNRS et des universités (irap, lesia, lAB, OMp, latmos, iSAE, iAS pour l’instrumentation et aussi pour la science iMpMC, ipag, lGl, Celia, lpG, GeoRessources, iSterre). le projet Mars 2020 de la Nasa est sous maîtrise d’œuvre du Caltech/Jpl.

Léa GRITON, Institut de recherche en astrophysique et planétologie, Toulouse